Uso l’Universo per testare le bizzarrie delle particelle

Uso l’Universo per testare le bizzarrie delle particelle.

Gli esperimenti al Mit esplorano l’entanglement. “Dalle quasar nuove prove sulle proprietà degli elettroni”

particelle 1

DAVID KAISER – MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Sono trascorsi poco più di 50 anni da quando il fisico irlandese John Bell pubblicò un articolo straordinario, dedicato al fenomeno dell’«entanglement», la correlazione quantistica.

Riguarda il comportamento di particelle minuscole, come gli elettroni, che hanno interagito e si sono separate. Basta sollecitare una particella, misurando una delle sue proprietà – posizione, quantità di moto o spin –, e le equazioni della teoria quantistica suggeriscono che la particella compagna si muoverà istantaneamente, non importa quanto lontano la seconda sia andata.

La parola-chiave – ho spiegato al Festival delle Scienze di Roma – è «istantaneamente». Le particelle «correlate» potrebbero trovarsi separate ai lati di una stanza o da un lato all’altro della galassia e in qualche modo, secondo la teoria quantistica, le misurazioni di una condizionerebbero i risultati delle misurazioni sulla lontana gemella, più velocemente di quanto la luce avrebbe potuto viaggiare dall’una all’altra.

L’«entanglement», come altre nozioni quantistiche, è un affronto al nostro modo di intendere il funzionamento del mondo. Albert Einstein ironizzava, dicendo che, se le equazioni della teoria quantistica prevedevano un tale nonsenso, allora tanto peggio per la teoria quantistica. «Inquietanti azioni a distanza», le definì indignato nel 1948.

Bell, nel suo articolo, chiarì che la teoria quantistica necessita dell’«entanglement»: la strana connessione nei risultati delle misurazioni a distanza è una caratteristica inevitabile delle equazioni. La prova di Bell non dimostrò tuttavia che la natura si comporta in quel modo, ma solo che lo fanno le equazioni. Resta quindi l’interrogativo: l’«entanglement» quantistico si verifica anche nel mondo o solo sulla carta?

John Clauser, all’epoca giovane ricercatore al Lawrence Berkeley National Laboratory, fu il primo a tentare di rispondere alla domanda. A partire dagli Anni 70 creò un’apparecchiatura per misurare proprio la «correlazione quantistica». Lavorando con Stuart Freedman, sparò migliaia di coppie di particelle di luce, i fotoni, in direzioni opposte, a partire dal centro del dispositivo, verso ogni estremità: qui si trovavano dei rilevatori capaci di misurare una proprietà dei fotoni stessi, nota come «polarizzazione».

Come Bell aveva dimostrato, la teoria quantistica prevedeva specifiche correlazioni tra le misurazioni della polarizzazione, ogni volta che si cambia l’angolo fra i rilevatori: sono correlazioni che non si spiegherebbero se i due fotoni si comportassero in modo indipendente l’uno dall’altro. Clauser e Freedman individuarono proprio quello strano fenomeno a distanza.

Ci furono poi altri esperimenti, tra i quali uno, condotto dal francese Alain Aspect, che testò l’istantaneità dell’«entanglement», e un altro, guidato dall’austriaco Anton Zeilinger, incentrato sul fenomeno tra tre o più particelle. Nonostante questi risultati, però, c’è ancora molto lavoro da fare: ogni test sull’«entanglement» ha fornito una o più «scappatoie» che lasciavano aperta la possibilità, per quanto remota, che fosse recuperabile qualche altra teoria, diversa da quella quantistica e più in linea con le intuizioni di Einstein. Una scappatoia, per esempio, testata da Aspect, era legata alla possibilità che la fonte delle particelle potesse aver ricevuto un’«informazione dall’interno» sul tipo delle misurazioni che sarebbero state effettuate e che, quindi, avesse «adattato» le particelle stesse per produrre risultati specifici.

Nel 2015, tuttavia, tre gruppi, in Olanda, Austria e Usa, hanno completato una serie di esperimenti sorprendenti, con cui sono riusciti a eliminare diverse «scappatoie»: i ricercatori sono pervenuti a risultati perfettamente in linea con la teoria quantistica. Insieme con Zeilinger e altri colleghi ora lavoriamo per chiudere l’ultima e più ostinata delle «scappatoie», conosciuta come «indipendenza delle regolazioni»: in ogni esperimento sull’«entanglement» si devono selezionare le regolazioni di ogni rilevatore dell’apparato sperimentale (scegliendo di misurare, per esempio, lo spin di una particella in una direzione o in un’altra). La scappatoia dell’indipendenza dei settaggi suggerisce che, sebbene il ricercatore sembri libero di selezionare qualunque regolazione, è possibile che non lo sia davvero: qualche meccanismo casuale, inosservato, nel passato potrebbe aver già fissato le regolazioni dei rilevatori o aumentato la probabilità che ne venisse scelta una piuttosto che un’altra.

Per quanto appaia bizzarro, persino una quantità minuscola di questa coordinazione fra le regolazioni dei rilevatori e un «set» nascosto di istruzioni per le particelle basterebbe a imitare le previsioni della teoria quantistica. Per questo, a volte, si parla di «scappatoia del libero arbitrio». In un simile scenario l’«entanglement» potrebbe restare una chimera.

Come evitare la scappatoia? Il nostro obiettivo è trasformare l’Universo stesso in un generatore di numeri casuali. Nei nostri esperimenti le regolazioni del rilevatore sono selezionate in base ad alcune delle luci più antiche dell’Universo. In particolare, si basano su osservazioni di sorgenti distanti come i quasar. Così riavvolgiamo il tempo, fino al momento in cui avrebbe potuto essere attuata una qualche «spintarella» tra le regolazioni del rilevatore e i «set» di istruzioni per le particelle. Osservando oggetti astronomici sempre più distanti, che hanno emesso i fasci di luce che osserviamo oggi in tempi sempre più remoti, potremmo quindi eliminare, o almeno restringere, le alternative alla teoria quantistica: questa prevede che qualunque coordinazione tra le regolazioni del rilevatore e le particelle soggette all’«entanglement» sia stata messa a punto nei primi momenti dopo il Big Bang, quasi 14 miliardi di anni fa.

Se – come ci aspettiamo – le previsioni quantistiche saranno confermate, avremo limitato le teorie alternative.

D’altro canto, se i test identificassero delle divergenze, si spalancherebbe una fisica nuova. In entrambi i casi i test ci consentono di far leva sull’immensità dell’Universo per sondare le caratteristiche più incredibili della natura.

Testo originariamente pubblicato sul «New York Times»

Alcuni diritti riservati creativecommons – Fonte La Stampa Tuttoscienze

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